半导体篇：单晶炉循环水冷却设计方案解析

随着国家对半导体行业的投入力度越来越大，国内半导体企业的数量也越来越多，无论是生产型企业还是科研、高校、研究所对半导体生产设备的需求量也越来越大。从晶圆的生长，一直到芯片成品的检测，温控设备始终贯穿于整个芯片的制作过程中。

晶圆制造涉及的工艺流程与环节包括：单晶炉制造硅片、通过氧化扩散炉进行氧化扩散、清洗机清洗、CMP设备进行抛光、离子注入、通过溅射靶材进行沉积、刻蚀机进行刻蚀、光刻机进行光刻 ，其中需要使用温控设备的包括：单晶炉、刻蚀机、光刻机、等离子冲洗、快速退火炉、气相沉积（PVD\CVD）、分子束外延、划片机、键合机、低温探针台等。以下主要对单晶炉的冷却水循环系统设计展开讲解。

单晶炉温控原理及要求

对单晶炉来说，合适的温度对于晶体的生长至关重要，要有足够的冷却水来对单晶炉炉体及加热电极、真空系统进行降温。

（直拉单晶炉结构图）

而单晶炉对循环冷却水的变化有要求，水温度的过高或者过低都会影响单晶硅的生长环境。另外对冷却水的纯度、进出水温度、流量和压力、结构的耐腐蚀等都有严格要求。

根据循环冷却水的要求，四川某大学研发团队通过业内人员介绍找到凯德利平台，委托我们设计一套针对单晶炉的冷却系统方案。

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单晶炉冷却系统解决方案

在充分了解该项目的具体参数要求和工艺原理，设计一套针对单晶炉的循环水设计系统，该设计方案包括工艺冷却水控制系统和冷媒控制系统。

工艺冷却水控制系统

工艺冷却水控制系统可为单晶炉炉体及加热电极、真空泵降温冷却，由冷水机组、工艺水池、冷却水泵、冷却管路及热交换器组成。

冷水机组由2台凯德利风冷涡旋机组，温度范围可降低到20-25度，机组将冷却水从循环水泵输送到工艺冷却水池，再由水泵输送进冷却通路为炉体发热部件循环降温，可实现不同负荷下的制冷模式，最大化稳定工艺冷水控制系统。

冷媒控制系统

在冷媒控制系统中，冷水机内部气态冷媒由压缩机压缩，进入冷凝器液化，再由膨胀阀装置变成低温气液混相，在蒸发器内，实现与工艺冷却水系统热交换器换热，达到工艺水池的需求温度。冷媒控制系统中，因单晶炉工艺水池特殊水质要求，采用全不锈钢蒸发器要求，避免因水质问题污染工艺水池的冷却水，给单晶炉冷却造成不利影响。

在整个冷却水系统设计中，凯德利冷水机组电控系统使用德国西门子PC／PLC可编程控制器，由人机界面触摸操作，实时观察系统运行的参数，并且可简单直观输入各种初始参数，例如工艺冷却温度上下限报警值、水位上限限值、出水温度上下限值、冷却水压力上下限值等。

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现场安装

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凯德利冷水机广泛应用在半导体行业的光刻机、蚀刻机、化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）、晶圆清洗等不同生产设备的降温冷却，可针对不同工艺要求非标定制冷水机组，满足工农业和科研领域的冷热需求。关注凯德利官方公众号，了解更多行业应用案例。